二维步进单片机控制工作台控制系统设计

摘要如今，由于工作台操作简单，精度高，能够满足一般生产需求。正因为如此，所以它广泛应。本文主要研究的是两维步进单片机控制工作台的控制部分。主要的任务就是用单片机实现两个步进电机的正反转和速度的控制。本控制系统可以由键盘输入运行的步数，由 LED 管显示，信号经单片机转换，采用软件对信号进行环形分配，利用光电隔离器进行光电隔离，经功率放大器进行信号的放大，用放大的信号来驱动步进电机的运行。由各个功能键控制系统的运行，按启动键后，步进电机按照输入的步数进行走步；如在运行期间按停止键，则步进电机停止运行。工作台的两头都有行程开关，如果超出了极限位置，行程开关闭合，步进电机停止转动，并且蜂鸣器报警。关键词：工作台；步进电机；单片机AbstractNowadays, The workbench is easy to operate, the precision is high, and it can meet the generally production demand . Just because of this, so it is widely used.Main research of this paper is that the part of control of the two-dimension stepping single-chip microcomputer control workbench. The main task is to realize two stepping motors rotating positive and negatively and control of pace with single-chip microcomputer. The running steps are input by keyboard in this control system, displayed by the LED tube. The signal is transformed by single-chip microcomputer . The signal Loop allotter is achieved by software. The photoelectricity seclusion is achieved by Electro-optical disconnector. The signal is enlarged by power Amplifier. Then the signal can run the stepping motor. The systems run is controlled by functional keys. Stepping motor will run to the given steps if the “start” key is pressed. Meanwhile, stepping motor will stop if the “stop” key is pressed. There are limit switches on the two heads of the workbench, if the workbench go beyond the terminal position, the limit switch is off, the stepping motor will be stop at once, and the buzzer scream.Keywords workbench stepping motor single-chip microcomputer 目录1 绪论 .11.1 课题研究的背景 .11.2 工作台的发展现状与方向 .11.3 本课题研究的范围和意义 .31.4 步进电机的发展现状 .31.5 单片机的发展现状 .42 控制系统的总体设计 .62.1 系统总体方案 .62.2 机械系统 .62.3 控制系统设计 .62.3.1 接口设计 .62.3.2 控制方案的选择 .72.3.3 伺服系统设计 .73 控制系统的设计方案 .83.1 硬件系统设计 .83.1.1 系统的硬件结构 .83.1.2 步进电机 .83.1.3 微处理器的选择 .153.1.4 键盘操作的接口电路设计 .173.1.5 显示部分操作的接口和电路设计 .213.1.6 报警电路的设计 .243.1.7 单片机与 PC 机的通信 .253.1.8 系统的抗干扰设计 .263.2 软件系统设计 .283.2.1 软件结构设计 .283.2.2 系统的程序流程 .29结论 .40致谢 .41参考文献 .42附录 .431 绪论1.1 课题研究的背景当今社会，随着科技的发展，工作台的应用越来越广泛。现在的工作台广泛用于焊接，点胶，打孔，包装，取料等各类精密位置控制设备的应用等。人们对工作台的研究从来没有停止过。为了满足不同的要求，出现了各式各样的工作台。例如，用于普通画线用的二维工作台，具有防静电功能的防静电工作台，还有回转工作台可用于分度，用于高精度的加工的纳米微动工作台等。随着人类的进步，越来越多并且越来越好的工作台将会被制造出来，来满足生产发展的需求。1.2 工作台的发展现状与方向（1）纳米级微动工作台的研究现状及发展趋势纳米级微动工作台为从事纳米科学技术研究提供一维、二维或三维的纳米级微运动，是纳米科学技术研究应必备的关键仪器设备。现代纳米科学技术的快速发展对微动工作台提出了迫切的更高要求，即在提供大范围运动的前提下，还应具有纳米级的运动精度。在为纳米科学技术研究提供小范围纳米级精度的微运动时，最常见的是以压电陶瓷 PZT作为驱动部件的柔性铰链机构微动工作台，要为纳米科学技术研究提供大范围纳米级精度的微运动时，柔性铰链机构、压电堆、丝杆滑动机构和气浮微动工作台等却都不能满足要求，它们不能同时实现纳米级运动精度和大运动范围。磁悬浮微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触的磁悬浮驱动技术，因此，易于实现大范围纳米级微运动，并且消除了摩擦、磨损对运动精度造成的影响。 纳米级微动工作台的研究现状：I. 柔性铰链式微动工作台柔性铰链微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。它的特点是结构紧凑、体积很小，可以做到无机械摩擦、无间隙，具有较高的位移分辨率，可达 1 nm。使用压电或电致伸缩器件驱动，可以实现亚微米甚至是纳米级的精度，同时不产生噪音和发热，可适于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。已在航空、宇航、微电子工业部门、精密测量和生物工程领域获得重要的应用。由于它的出现,开创了精度进入纳米的新时代。II.滚动导轨式微动工作台滚动导轨也是微动工作台中一种常见的导轨形式，它具有行程大,运动灵活、结构简单、工艺性好、容易实现较高的定位精度的优点，采用滚珠导轨作为微动工作台的支承和导向元件，直流伺服电机传动、实现了对自动分步重复光刻机的微定位控制。III. 磁悬浮式微动工作台磁悬浮式微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触式的磁悬浮驱动技术，因此没有摩擦力和机械部件的磨损，易于实现高精度、大范围的要求。 纳米级微动工作台发展趋势及需要解决的问题大范围、高精度是纳米科技对微动工作台提出的新要求，然而大行程和高精度是微动技术中的一对矛盾。因此微动工作台的未来研究方向应围绕如何解决这一对矛盾展开。I.多种微运动相结合技术:结合多种微动方法以弥补各自的不足仍然是解决以上问题的主要办法，比如在现有研究已经成熟的各种微动工作台基础上，妥善解决好其中两种或者多种微动工作台间的兼容性，解决好机械结构间的装配误差、多种平台间的定位误差，采用粗动和微动相结合的方法，粗动台用以完成快速大范围，微动工作台实现高精度，也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿，以此实现大范围、高精度的要求。II.新型纳米级微动工作台的研究：运动方向间的交叉耦合严重影响纳米微动工作台的定位精度，因此需进一步研究运动导向结构，从运动原理上有效地消除运动方向间的交叉耦合产生的定位误差，提高纳米级微动工作台的定位精度。III.改进控制策略，如采用建立迟滞和蠕变数学模型进行开环控制来避免因反馈而可能引起的不稳定问题,采用自适应控制消除建模的误差和参数的不确定性及系统环境的变化等因数对系统精度的影响，提高系统的鲁棒性。采用模糊控制、神经元网络控制等方法改善系统的非线性和不确定性。IV.磁悬浮微动工作台性能的进一步提高：在现有磁悬浮微动工作台基础上，充分考虑磁滞非线性、磁饱和以及高次谐波对系统精度的影响，解决运动控制和定位技术，从而实现纳米级精度的大范围运动。随着微米、纳米科学技术的不断发展，纳米级微动工作台的研究正日益受到国内外的重视。但因受到机械加工精度、控制精度和机构复杂性等技术水平的制约，其精度和运动范围还受到一定影响，随着对微动工作台的深入研究,结构合理、高精度和高分辨率的微动工作台必将不断问世。（2）旋转升降式工作台的发展趋势多种多样的升降工作台有着广泛的应用领域。许多工业企业除了在生产线上或生产线外使用升降工作台以外，往往还利用升降工作台来运送较大的工件。例如在物资入库的时候，人们可以利用升降工作台首先将成批的钢材运送到指定的货架处，然后再存放到货架的不同规格格层中或者在室外，将工作台升降到合适的工作高度或者将单臂吊之类的起重设备运送到室外让它在室外工作等等。在2002年的汉诺威博览会上，Bolzoni Auramo有限责任公司推出他们开发生产的移动式升降工作台。该公司的设计师们设计的升降工作台带有运动装置使升降的物体重通过运动设备的轮子传递到地面， 从而可以使升降工作台在任何器要它的地点发挥作用。这种移动式的结构设计也可“移植” 到超薄型升降工作台的设计中。尤其是在汽车制造业中使用更为频繁。这种升降工作台不需要液压驱动系统， 几乎不需要维护保养。早在20年前, Flexlift公司就研制开发出了机械式升降工作台。但是在今天机电一体化驱动技术取得了重大进步之后, 才使机械式升降工作台也有了较大的发展。1.3 本课题研究的范围和意义本课题研究的是 X-Y 工作台的控制部分，主要的任务就是通过单片机实现对两个步进电机的控制。包括速度，转向等的控制。采用并行控制方式。通过键盘可以输入控制的运行步数，电机的正反转，运行出错时候可以急停键停止，还有其他的一些操作等都可以通过键盘实现。本系统的显示功能是利用 8 位的数码管实现运行步数的显示，在工作台运行超过极限位置时候，安装在工作台两端的行程开关会被按下，产生电流信号，通过光电转换装置，向单片机发出信号，经单片机发出信号，蜂鸣器报警，报警的同时，电机停止转动。通过本课题的学习与研究，使我了解工作台的工作原理，知道了单片机的发展与简单的应用，对步进电机的结构，工作原理有了更进一步的理解。使我认识了很多的电子元件，懂得了许多的控制方面的知识。1.4 步进电机的发展现状步进电机最早是在 20 年代由英国人所开发。20 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。（1）步进电机的分类 步进电机依其构造上的差异可分为三大类： 可变磁阻式（VR 型）：转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为 15。 永久磁铁式（PM 型）：转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转子材质区分，其步进角有 45、90及 7.5、11.25、15、18等几种。 混和式（HB 型）：转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，兼有可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。（2）步进电机的历史步进电机在我国已有几十余年的生产史，近几年，大规模集成电路及计算机技术的发展，进一步推动了步进电机的技术进步和广泛应用，据统计，全世界步进电机的年产量已达一亿多台，市场销售量占世界微电机销售总量的%左右。步进电机的发展依赖计算机外设和办公自动化机械的发展。我国计算机工业虽然起步晚，但经过三十年的努力，已经初具规模。我国早在六十年代中期开始致力于步进电机的研究和开发，直到20 世纪80 年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是8 0 年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0 . 9/1.8 ）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75/1.5）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的 。（3）步进电机的发展趋势： 小型化、高精度计算机外部设备趋向小型，也就要求永磁式和混合式步进电机向小机座号发展，目前直径为 39、42 的步进电机使用就较多。 电机与线路一体化机电一体化的步进电机更受到用户的欢迎，虽然控制线路的成本比较高，但与电机组成一体化产品后更便于整机使用。 多功能新一代的磁盘与光盘需要具有两个自由度的圆柱式步进电机，直接完成横向运动和旋转运动两个功能，这种产品在日本电话电信公司已有产品。另外，美国已推出带电传感器的步进电机，能自检位置和转速。 直线小步距、高分辨率据日本和欧美国家报道，此类步进电机已制成步距为 0.1 微米，在 40 英寸/秒的线速度下产生 50 磅推力，分辨率达 12500 步/英寸，定位精度为 0.001 英寸。 新结构、新材料、新技术步进电机总的发展趋向是增大出力、提高精度、改善动态特性，为此已出现一种盘式、轴向气隙的新结构步进电机。同时，还在研究采用如高磁能积的铁氧体、稀土、压电等新材料。1.5 单片机的发展现状随着目前微电子技术的发展，技术工艺的不断提高，单片机技术也有了长足的进步。单片机在最近几年中得到了极大的发展，目前世界范围内单片机发展的主要领域有4个：一是欧美，最新开发产品及主要厂商有：National semicundutor 的cop8系列单片机，美国的Scenix 的八位单片机，荷兰PHILLIPS的51系列单片机，美国AMD公司186系列16位嵌入式微机控制器，MOTOROLA的各个系列单片机；二是日本，TOSHIBA公司开发了从4位到64位多系列单片机，日立公司也有从4位到32位多系列单片机，NEC公司的75X、78X系列微机；三是台湾地区， 主要有WINBOND的W741/W516,W78/W77 等系列产品微控制器；四是韩国，主要有HYUNDAI microelectrionics的GMS800、GMS30 系列微控制器。另外还有LG公司也生产单片机，可见单片机发展到今天可以说种类繁多、性能各异。但目前我国的许多单片机应用单位仍停留在采用片内无ROM等低档单片机状态。当国内从80 年代起开始了单片机的热潮,二十多年过去了，单片机从研究所走出来,成为日常生活中的一个不可缺少的部件。硬件方面日趋多样化，4 位、8 位、16 位、32 位等型号共同并存,在不同的领域存在,如家电、玩具、工业设备、仪器、通讯等。软件方面发展主要为汇编语言、C 语言、嵌入式操作系统。速度、稳定性特别要求的场合较多采用汇编语言和C 语言。单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着C M O S 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。2 控制系统的总体设计2.1 系统总体方案图 2-1 总体设计图2.2 机械系统传动机构采用滚珠丝杠副与齿轮减速。导向机构采用滚动直线导轨。执行机构采用步进电机。2.3 控制系统设计本系统选用的微型机是 8051 单片机，采用开环的控制方式，采用三相六拍步进电机。图 2-2 开环控制流程图2.3.1 接口设计（1）人机接口采用键盘作为输入。采用矩阵式键盘，用 20 个键来控制步进电机。采用蜂鸣器作为警报装置。采用数码管作为显示器。采用八段数码管作为步数的显示。（2）机电接口采用光电偶合器作为微型机与步进电机驱动电路的接口，实现电气隔离，以保护单片机。2.3.2 控制方案的选择控制的方案不外乎有三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。上图为最简单的“开环控制” ，若在“机械传动”机构中引出反馈给控制部分，在经过比较放大的则为“半闭环控制” 。如若是在机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。开环控制：特点是简单，控制精度低。控制的精度完全取决于所用元件的精度和校准的精度，且抗干扰的能力差。但由于其结构简单、成本低。在精度要求不高的情况下，有一定的使用价值。闭环控制：特点是控制精度高，抗干扰能力强。缺点是使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。半闭环：特点是控制的精度介于闭环和开环之间。采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有正比的关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精度要求不是很高时，负载不是很大的情况下采用步进电机是合理的。下图为开环控制的框图 计算 执行 受控对象给定值干扰+被控量图 2-3 开环控制框图2.3.3 伺服系统设计由于本系统的精度要求不高，载荷不大，再考虑了其经济要求等因素后，决定采用开环控制。3 控制系统的设计方案3.1 硬件系统设计3.1.1 系统的硬件结构计算机的硬件和软件是相互结合而工作的，有些任务必须由硬件来实现，另外有些任务必须由软件来实现。但是也有一些任务可以由软件来完成，也可由硬件来完成。一般来说，增加硬件会提高成本，但能简化设计程序，且实时性好。反之，加重软件任务，会增加编程调试工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排软、硬件的结构。本系统步进电机速度的控制是由改变发出脉冲的时间间隔来实现的，用定时器来控制发出脉冲的时间间隔，这样更能发挥硬件实时性的优势，同时能够减轻软件的任务。由于本工作台控制系统采用单片机作为核心部件，利用单片机构成系统应从元件级进行系统设计，根据任务需要，选择合理的单片机并配置必须的存储器、接口和外围设备来构成系统。在进行系统的扩展和配置设计时考虑了以下原则（1）尽可能的选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。（2）系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统功能的要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响。考虑的原则是，软件能实现的功能尽可能的由软件来实现，以简化硬件电路。但是由软件实现的硬件功能，其响应的时间要比直接用硬件实现的时间长，而且占用 CPU 时间。（4）整个系统中的相关的器件要尽可能的做到性能匹配。（5）单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力，增设线驱动器或者减少芯片功耗，降低总线负载。根据以上设计原则及结构框图，逐一设计出每个单元电路，最后组合起来，成为完整的硬件系统。3.1.2 步进电机图 3-1 为三相反应式步进电机的工作原理图，其定子上有六个极，每个极上装有控制绕组，每相对的两极组成一相。转子上有四个均匀分布的齿，其上没有绕组，当 A 相控制绕组通电时，转子在磁场力的作用下与定子齿对齐，即转子齿 1、3 和定子齿 A、A对齐，如图 3-1（a ）所示。若切断 A 相，同时接通 B 相，在磁场力作用下转子转过 30，转子齿 2、4 和定子齿 B、B对齐，如图 3-1（b）所示，转子转过一个步距角。如再使 B相断电，同时 C 相控制绕组通电，转子又转过 30，使转子齿 1、3 和定子齿 C、C对齐，如图 3-1（c）所示。如此循环往复，并按 ABCA 顺序通电，步进电机按一定方向转动。电机的转速取决于控制绕组接通和断开的变化频率。（a ） （b） （c ）图 3-1 三相反应式步进电机单三拍工作时工作原理图实际的步进电机的转子铁心和定子磁极上均有小齿，齿距相等。定子和转子的齿数要有一定比例的配合，即要求在某一相的一对极下，定子和转子的齿一一对齐，而此时在其它两相的磁极下，定子和转子的齿要分别错开一定的角度。这样，如果步进电机的三相绕组按一定的方式通电，那么它就以一定的步矩角进行走步。步进电机的步距角的大小是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式决定，它们之间存在以下关系： = 式 sCmZr360（3.1）式中， 为步距角；C 为通电状态系数，当采用单相或双相通电方式时，C=1；而采 s用单、双相轮流通电方式时，C=2；m 为步进电机的相数； Zr 为步进电机转子齿数。控制绕组通电状态的改变，是由外加输入脉冲驱动电路来实现的。每当外电路送入一个脉冲，控制绕组的通电状态即改变一次，与此对应步进电机将转动一个步距角。因此步进电机转过的步距角数等于外加脉冲数，则步进电机的转速为：n = 式CmfZr60（3.2）式中 f 为步进电机通电的脉冲频率，单位为 Hz；n 为步进电机的转速，单位为r/min。步进电机的转速用步矩角表示为：n = = = 式（3.3）360Cmfr fCmr360f s由式（3.1）和（3.2）可知，电机的相数和转子的齿数越多，则步距角就越小，电机在脉冲频率一定时的转速也越低。当电机的相数和转子的齿数一定时，转子的转速和输入的脉冲频率成正比。因此，改变输入的脉冲频率就可以改变转速，改变通电状态顺序就可以实现正反转。由于这些特性，步进电机控制系统中，能够按照控制命令实现启动、停止、升速、降速、正反转等操作。3.1.2.1 步进电机控制系统的构成旧式的步进电机控制系统由步进控制器、功率放大器和步进电机组成，如图 3-2 所示。步进控制器包括缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门等其作用是把输入脉冲变为环形脉冲，以便实现对步进电机的转动和正反向控制。功率放大器的作用是将步进控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。在这种控制中，由于步进控制器线路复杂，成本高，限制了它的应用。图 3-2 步进电机控制系统的组成随着微型计算机的广泛应用，采用计算机控制系统，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。这不仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。图 3-3 为微机控制步进电机的系统结构图。图 3-3 微机控制步进电机的系统结构图3.1.2.2 步进电机的串行和并行控制使用微机对步进电机进行控制，有串行和并行两种方式。（1）串行控制具有串行控制功能的单片机与步进电机驱动电源之间有较少的连线。将信号送入步进电机驱动电源的为环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源必须含有环形分配器。这种控制方式的示意图见图 3-4 所示。图 3-4 串行控制示意图（2）并行控制用微型计算机系统的数条端口线直接去控制步进电机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电机的驱动电源内，不包括环形分配器，其功能由微型计算机系统实现。并行控制方案示意图见图 3-5。图 3-5 并行控制示意图3.1.2.3 步进电机的失步在步进电机的运行过程中，将可能出现失步，其失步原因有两种：（1）转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转，从而引起失步。（2）转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需要的时间，则转子在步进过程中获得过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。以步进电机三相单三拍通电方式为例分析步进电机的失步。在图 3-1 中，由 B 相断电，接通 C 相时，转子齿 2、4 与 B 相磁极对齐而转到转子齿 1、3 与 C 相磁极对齐（图 c） ，若是由于某一原因造成转子的阻转矩大于电磁转矩的作用，则转子齿 1、3 没有转到与 C 相磁极对齐的位置，而停留在原处未动的位置（图 b） ，那么当 C 绕组断电再接通 A 相时，受 A 相磁极影响最大的转子齿 1、3 仍返回到与 A 相磁极对齐（图 a） 。由此可见，当步进电机发生失步时，往往丢掉一个通电循环的步数或其整数倍。也就是说步进电机运行时失步的规律是，所失的步数是通断电循环拍数的整数倍。同理在停止过程中，如果负载超过步进电机的极限制动能力，步进电机将产生滑步或过冲。丢掉的步数也是循环拍数的整数倍。所以要使步进电机快速的达到所要求的速度又不失步或过冲，其关键在于使加速过程中加速度所要求的转矩既能充分利用各个运行频率下步进电机所提供的转矩，又不能超过这个转矩。3.1.2.4 步进电机的的脉冲分配步进电机的步进要求按一定的顺序及频率接通和断开步进电机的控制绕组，这样步进电机才能按要求启动、运转和停止。所以这就需要脉冲分配。以提供步进电机所需要的脉冲信号。要使步进电机按要求步进，就要确定的给出脉冲分配，加到功率放大器输入端。实现脉冲环行分配的方法有三种。一种是采用计算机软件，利用查表或计算的方法来进行脉冲的环行分配。把相应的状态代码列入程序数据表中，通过软件可顺次在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可，通过正向顺序读取和反向顺序读取数据表可控制电机进行正反转，通过控制读取一次的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。但由于软件分配法占用计算机的运行时间，易影响步进电机的运行速度。另一种是采用小规模集成电路搭接而成的环行分配器。这种方式灵活性大，可搭接任意相任意通电顺序的环行分配器，同时在工作时不占计算机的工作时间。第三种即采用专用的环行分配器件。如市售的 CH250 即为一种三相步进电机专用环行分配器。它可以实现三相步进电机的各种环行分配，使用方便、接口简单。本系统采用软件分配法来进行脉冲的分配。三相六拍工作方式的脉冲分配的时序图如图 3-6 所示。在此方式下，绕组的通电顺序是，正转时，按AAB B BCCCA A；反转时，按 AAC C CBBBA A 进行。图 3-6 三相六拍脉冲时序图三相六拍控制方式的通电状态参看表 3-1，可知正转时 I/O 口应循环输出控制字0x010x030x020x060x040x05，反转时 I/O 口应循环输出控制字0x050x040x060x020x030x01。在输出最后一个控制字 0x05（正转）或0x01（反转）后，要修改控制字地址指针，即地址指针重新赋值。表 3-1 步进电机三相六拍环行脉冲分配状态表方向节拍序号 通电相 C 相 B 相 A 相 控制字正转 反向0 A 0 0 1 0x011 AB 0 1 1 0x032 B 0 1 0 0x023 BC 1 1 0 0x064 C 1 0 0 0x065 CA 1 0 1 0x050 A 0 0 1 0x01在输出每一个控制字之前，判断地址指针中的内容是否为 0x00。如果是 0x00，则地址指针重新指向第一个控制字；否则，直接将地址指针中的内容输出到 I/O 口中，然后地址指针加 1。如此循环，便实现步进电机的连续运转。3.1.2.5 步进电机的驱动电源从计算机输出口或从环行分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。步进电机的工作特性在很大程度上取决于驱动电源的特性，对其每一相绕组来说，驱动电源相当于一个电流无触点开关，理想的驱动电源应使通过绕组的电流尽量接近矩形波。由于电机绕组有很大的电感，要做到这一点是困难的。传统的双极型功率晶体管驱动电路有两种型式，一种是应用于小功率步进电机的单电源驱动线路，另一种是应用于功率步进电机的高、低压双电源驱动线路。这两种电路的共同问题是损耗大，效率低，而且大功率管易发生击穿故障。本控制系统采用步进电机驱动 IC，内含四组 NPN 达灵顿晶体管，使步进电机有足够大的驱动电流，各个 B 极有 3mA 的输入电流，才可使 C-E 导通。每个输入可承受的最大电流为 4A，非常适合来驱动步进电机！因为 B 极需要 3mA 的输入电流方可导通，所以要用缓冲器来推动，其可用的组件有 4050、74244。3.1.2.6 步进电机及其驱动电路的设计（1）步进电机的技术参数 具体的产品的型号为：75BF003 技术数据见表 3-2表 3-2 75BF003 步进电机技术数据相数 步距角/( ) 电压（V） 相电流/A 最大静转矩/N.m 空载启动频率3 1.5 30 4 0.882 1250电感/mH 电阻/N 分配方式 外形尺寸（轴径）（mm) 重量/Kg 转子转动惯量35.5 0.82 3 相六拍 7576（8） 1.58 1.563（2）步进电机驱动电路的设计输出通道的设计内容是确定通道结构和元件装置，合理选择驱动电路。本系统的输出通道也就是控制步进电机的通道，由于 8051 的 P1 口可以作为输出使用，所以将其作为输出通道的控制端口，采用三相六拍的步进电机进行并行控制需要 P1 口中的六位。另外，单片机与步进电机的接口由专用的控制装置来实现。步进电机的脉冲分配由单片机通过软件控制构成环行分配器。 除了上面的，一个完整的步进电机的控制还需要光电隔离器。光电隔离器的作用的把步进电机与单片机隔离开来，即把强电部分与弱电部分隔开，以保护单片机在步进电机漏电的时候单片机不会被损坏。光电隔离器是隔离器的一种, 它是把发光器件与光敏接受器件集成在一起, 或用一根光导纤维把两部分连接起来的器件。通常发光器件为发光二极管(LED) , 光接受器件为光敏晶体管等。加在发光器件上的电信号为耦合器的输入信号, 接受器件输出的信号为隔离器的输出信号。当有输入信号加在光电隔离器的输入端时, 发光器件发光, 光敏管受光照射产生光电流, 使输出端产生相应的电信号, 于是实现了光电的传输和转换。其主要特点是以光为媒介实现电信号的传输, 而且器件的输入和输出之间在电气上完全是绝缘的。从结构上看, 光电隔离器由一发光二极管和光敏晶体管封装在同一个管壳内组成, 其表示符号如图3-7所示。它们在结构排列上使LED 辐射能量有效地耦合到光敏晶体管上, 一般有金属封装和塑料封装两种形式。金属封装采用金属外壳并用玻璃绝缘, 芯片采用环焊以保证发光管与接受管对准。塑料封装采用双列直插式结构, 管芯先装于管脚上,中间用透明树脂固定, 具有聚光作用, 故灵敏度较高, 是目前应用较多的一种。图 3-7 光电隔离器原理图本控制系统选用TLP521-4型光电耦合器。引脚如图3-8图 3-8 TLP521-4型光电耦合器引脚每一个TLP521-4型光电耦合器有四个光电隔离器，所以本系统需要两个这样的光电耦合器，实现单片机与步进电机的隔离。3.1.3 微处理器的选择微处理器的主要性能指标是位数、主频、寻址能力、指令系统、内部寄存器情况等。位数是重要的指标，除了影响运算精度外，还关系到指令系统的功能、寻址能力以及操作速度等。主频影响操作速度。寻址能力决定可能的最大存储容量。指令系统性能影响数据处理、输入输出等操作功能以及编程的方便性。内部寄存器的数量和功能也和操作方便性有关。此外，单片机都带有一定数量的内部 RAM，还有内部 ROM 或其它器件。考虑到需要满足的要求及经济因素，本系统选择 MCS-51 单片机。(1) MCS-51 单片机简介MCS-51 单片机是一种单片机系列的名称，由 Intel 公司研发，是目前国内广泛应用的单片机，属于这一系列的单片机型号有许多种，包括8051、8751、8031、80C51、87C51、80C31 等，它们的基本组成和基本性能都是相同的，但是性能上略有差别。MCS-51 单片机是在一块芯片上集成了 CPU、ROM、RAM、定时器/ 计数器和多种功能的 I/O 端口等一台计算机所需要的基本功能部件。单片机内部包含了下列的几个部件：一个 8 位 CPU；一个片内震荡器及时钟电路；4K 字节程序存储器；128 字节数据存储器；两个 16 位可编程定时器/计数器；一个可编程全双工串行口；四个 8 位可编程并行 I/O 口；64K 字节外部数据存储器和 64K 字节程序存储器扩展控制电路；五个中断源，两个优先级嵌套中断机构。以上部分通过总线连接。MCS-51 系列单片机的引脚：MCS-51 系列单片机中各种型号的引脚是相互兼容的，而绝大多数都采用 40 引脚的双列直插封装方式。如图 3-9 所示图 3-9 8051 引脚图（2）8051 的引脚功能：主电源引脚 VCC 和 VSS VCC（40 脚）接+5V 电压； VSS（20 脚）接地。外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1（19 脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对 HMOS 单片机，此引脚应接地；对 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（18 脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对 HMOS 单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对 CMOS，此引脚应悬浮。控制或与其它电源复用引脚 RST/VPD、ALE/PROG、PSEN 和 EA/VPP RST/VPD（9 脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与 VSS 引脚之间连接一个约 8.2k 的下拉电阻，与 VCC 引脚之间连接一个约 10F 的电容，以保证可靠地复位。 VCC 掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部 RAM 的数据不丢失。当 VCC主电源下掉到低于规定的电平，而 VPD 在其规定的电压范围（ 50.5V）内，VPD 就向内部 RAM 提供备用电源。 ALE/PROG（30 脚）：当访问外部存贮器时，ALE （允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）8 个 LS 型的 TTL 输入电路。 对于 EPROM 单片机（如 8751） ，在 EPROM 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG） 。 PSEN（29 脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次 PSEN 有效。但在此期间